T-IAWBS 024-2025 金刚石单晶中石墨相的相对含量测定 拉曼光谱法

H80/84团体标准中关村天合宽禁带半导体技术创新联盟发布IT/IAWBS024—2025 II 2规范性引用文件 3术语和定义 4方法原理 5干扰因素 26试剂 27仪器设备 28测试环境 29测试样品 210样品清洗 311测试程序 312精密度 413测试报告 4T/IAWBS024—2025本文件按照GB/T1.1-2020《标准化工作导则第1部分：标准化文件的结构和起草规则》的规定起草。请注意本文件中的某些内容可能涉及专利，本文件的发布机构不承担识别这些专利的责任。本文件由中关村天合宽禁带半导体技术创新联盟归口。本文件起草单位：德州学院，中国科学院半导体研究所，堀场（中国）贸易有限公司，中关村天合宽禁带半导体技术创新联盟，江苏卓远半导体有限责任公司，北京聚睿众邦科技有限公司，吉林大学，河南六面顶新材料科技有限公司。本文件主要起草人：霍晓迪、曹繁秋、金鹏、郑红军、李国平、闫方亮、王镇、屈鹏霏、沈婧、胡恩萍、李红东、刘祎晨、陈健。本文件为首次制定。T/IAWBS024—2025金刚石单晶中石墨相的相对含量测定拉曼光谱法本文件规定了立方金刚石单晶中石墨相的相对含量测试方法。本文件适用于立方金刚石单晶中石墨相的相对含量测试。2规范性引用文件下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文件，仅该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。GB/T678化学试剂乙醇（无水乙醇）GB/T686化学试剂丙酮GB/T3505产品几何技术规范（GPS）表面结构轮廓法术语、定义及表面结构参数GB/T6379.2测量方法与结果的准确度（正确度与精密度）GB/T6682分析实验室用水规格和试验方法GB/T14264半导体材料术语GB/T8979纯氮、高纯氮和超纯氮JJF1544拉曼光谱仪校准规范计量特性和校准要求3术语和定义GB/T14264和JJF1544确立的术语和定义适用于本文件。4方法原理立方金刚石单晶属于金刚石结构，是由两个面心立方点阵沿立方晶胞的体对角线平移1/4对角线长度嵌套而成的晶体结构。其元胞中含有两个碳原子，具有三度简并一阶声子振动模T2g，其拉曼频移在无应力状态下为1332cm-1。石墨是由多层六边形碳原子点阵堆叠而成的三维晶体，层内碳原子以共价键结合，层间则以较弱的范德华力结合。拉曼光谱实验通常可以观测到较强的层内碳-碳键伸缩振动的晶格振动模E2g，其拉曼频移在1580cm-1附近。采用微波等离子体化学气相沉积法或高温高压法生长的立方金刚石单晶中有时会存在少许石墨相，石墨相与金刚石相的相对含量可由样品拉曼光谱中石墨相与金刚石相特征峰的积分强度比来确定，即：其中：R——立方金刚石单晶中石墨相的相对含量；IG——立方金刚石中石墨相的拉曼特征峰（1580cm-1附近）的积分强度；IDI——金刚石相的拉曼特征峰（1332cm-1附近）的积分强度；k——常数。2T/IAWBS024—20255干扰因素5.1测试仪器的因素拉曼光谱仪的拉曼频移精度、相对强度精度、光谱分辨力等对测试结果均有影响。在进行金刚石单晶样品拉曼光谱测试之前，拉曼光谱仪要按照JJF1544标准进行拉曼频移、相对强度、光谱分辨力的校准。激光波长影响拉曼散射的散射效率。本文件规定拉曼光谱仪配置的激光器输出波长为532nm（全固态激光器）或514.5nm（氩离子激光器）。激光功率的不稳定对拉曼光谱的谱形和信噪比有较大影响。本文件限定激光功率的不稳定性＜5%。5.2被测样品的因素金刚石单晶样品中的金刚石相拉曼特征峰的峰位（即拉曼频移）受应力影响，其频移量最高可大于±2.3cm-1.GPa-1，其中压应力导致向高波数方向移动，拉应力导致向低波数方向移动。测试人员在峰位指认时须注意甄别。金刚石单晶样品中所含石墨相由于晶格无序性、所受应力等影响，其拉曼频移通常在1570cm-1-1600cm-1范围内变化，特征峰半高宽也有较大变化。测试人员在峰位指认时须注意甄别。金刚石单晶样品测试面的表面粗糙度对激光散射有影响。本文件要求测试面的表面粗糙度Ra不大于10nm。为达到该要求，必要时可进行表面抛光处理。6试剂本文件所用试剂、气体均符合相关国家标准。6.1无水乙醇，分析纯，符合GB/T678。6.2丙酮，分析纯，符合GB/T686。6.3氮气，高纯氮，符合GB/T8979。6.4去离子水或蒸馏水，三级水，符合GB/T6682。7仪器设备拉曼光谱仪：根据金刚石单晶样品的测试需求，拉曼光谱仪应具备如下配置或技术指标。7.1光谱分辨力：不大于0.2cm-1。7.2激发光源：为波长532nm的全固态激光器或514.5nm的氩离子激光器。7.3激光功率：到达样品表面的激光功率上限一般不高于10mW，确保激光对样品没有损伤并不造成明显的温升；到达样品表面的激光功率下限一般不低于0.1mW，确保金刚石相的拉曼特征峰的信噪比优于100。激光功率的不稳定性＜5%。7.4载物台：应具有XY二维自动平移功能，二维平移范围应能完全覆盖金刚石单晶样品被测面的完整区域。8测试环境8.1环境温度：18℃~28℃。8.2相对湿度：10%~75%RH。9测试样品金刚石单晶样品测试面的粗糙度Ra一般不大于10nm，以减小对激光的散射。为达到该粗糙度要求，必要时可进行表面抛光处理。表面粗糙度的测试和计算按GB/T3505的规定进行。T/IAWBS024—202510样品清洗金刚石单晶样品在无水乙醇/丙酮混合溶液（无水乙醇：丙酮=1:1，体积比）或者无水乙醇中超声处理30分钟后，在去离子水或蒸馏水中超声处理30分钟，再用高纯氮气吹扫表面至水分完全挥发，然后放入无尘样品盒中备用。11测试程序11.1校准拉曼光谱仪按照JJF1544的校准规范，对拉曼光谱仪进行拉曼频移、相对强度、光谱分辨力的校准。11.2放置样品将金刚石单晶样品置于载物台上的中心区域，使得载物台的平移范围完全覆盖被测面区域。采用背散射几何，激光垂直于被测表面激发。11.3设置拉曼光谱仪参数11.3.1选定激光波长。对于可选激光波长的拉曼光谱仪，选定激光波长为532nm或514.5nm。11.3.2设定激光功率。到达样品表面的激光功率上限一般不高于10mW，确保激光对样品没有损伤并不造成明显的温升；到达样品表面的激光功率下限一般不低于0.1mW，确保金刚石相的拉曼特征峰的信噪比优于100。11.3.3设定扫描步长。扫描步长不大于0.2cm-1。11.3.4设定扫描范围。扫描范围至少完全覆盖1200cm-1-1800cm-1范围。11.3.5设定积分时间。积分时间的设定应满足金刚石相拉曼特征峰的信噪比优于100，通常在0.1s-60s范围内选择。在信噪比满足要求的条件下，尽量选取小积分时间，以节省测试时间。11.4在样品上选点测试11.4.1确定测试区域a)若样品为矩形，则其测试区域为去除边缘的非单晶或破损部分后的最大矩形区域；b)若样品为近似矩形，则其测试区域为去除边缘的非单晶或破损部分后的最大内接矩形区域；c)若样品为圆形，则其测试区域为去除边缘的非单晶或破损部分后的最大圆形区域；d)若样品为近似圆形，则其测试区域为去除边缘的非单晶或破损部分后的最大内接圆形区域；e)若样品为其他不规则形状，可参考上述方法确定可测试的最大矩形或圆形区域。11.4.2确定测试点阵11.4.2.1对于测试区域为矩形的样品令矩形的长度为2a、宽度为2b，以矩形的某一顶点为原点，长度方向为x轴，宽度方向为y轴，建立坐标系。以表1所示间隔形成测试点阵。表1矩形样品测试点间隔矩形长度2a或宽度2b（mm）≤10x轴测试点间隔（mm）ay轴测试点间隔（mm）b10<2a或2b≤505.005.00>5011.4.2.2对于测试区域为圆形的样品4T/IAWBS024—2025令圆的直径为2r，以圆心为原点，取互相正交的两个方向分别为x轴和y轴，建立坐标系。样品如有一个定位边，x轴平行于定位边；样品如有两个定位边，x轴平行于主定位边。以表2所示间隔形成测试点阵。表2圆形样品测试点间隔圆形直径2r（mm）x轴测试点间隔（mm）y轴测试点间隔（mm）≤10rr5.005.00>5011.4.3拉曼光谱测试按照上述点阵逐点进行拉曼光谱测试，并保存测试数据和测试条件。注意，所有测试点的测试条件要保持一致。11.5实验数据处理对于每个测试点的拉曼光谱数据，依次进行如下步骤进行数据处理：a)11.5.1利用随机测试软件进行背景信号扣除处理；b)指认金刚石相和石墨相的拉曼特征峰；c)采用随机测试软件或专用数据处理软件分别对金刚石相和石墨相的拉曼特征峰进行拟合，分别得到金刚石相和石墨相的拉曼特征峰积分强度IDI和IG；d)根据公式（1）计算比值IG/IDI。e)对上述得到的各测试点的比值IG/IDI进行算数平均值计算，得到整个样品测试面石墨相的相对含量平均值。12精密度根据GB/T6379.2标准的规定，本测试方法多家单位IG/IDI平均值的重复性相对标